基于EPS顆粒保溫墊層的季凍區渠道凍脹特性分析

張紅維

（和田鼎晟工程試驗檢測有限公司，新疆 和田 848000）

0 引言

在寒冷地區，土壤凍結會對水工建筑物結構穩定性造成不利影響[1]。渠道襯砌容易受到土壤凍結的破壞，因不同深度的土壤暴露在寒冷空氣中，使得整個渠道橫截面容易遭受凍脹效應的影響[2，3]。淺層地面會隨季節氣溫的變化而融化和凍結，導致土壤發生一系列物理和形狀變化[4]。當地面在寒冷季節結冰時，其強度增加，流變行為發生，其在解凍狀態下是不發生的。當孔隙水向地面凍結前沿移動時，冰透鏡同時在凍結帶形成，導致土壤發生凍脹，如果在這種類型的地面上建造的結構為非隔熱設計，其將遭受凍融破壞[5]。更具體地說，由于運河是直接在地下挖掘和建造的，因此冰凍破壞在寒冷地區的運河中更加嚴重和普遍。在新疆的一些灌區，由于凍脹引起的裂縫和滲漏，導致多條運河僅使用兩年就需修復[6]。在中國北方大多數運河中，渠道損壞率較高，季節性凍土的凍融循環經常對其造成重大損壞。例如，青海省50%～60%的渠道被霜凍破壞[7]。對吉林省216條渠道的破壞調查表明，39.4%的渠道工程問題主要是由凍融作用引起的[8]。本文在室內開展模型試驗，對渠道底部添加聚苯乙烯泡沫輕質土混合物后渠道是否具有保溫及防凍脹作用進行研究。

1 試驗設計

現有的U型渠道混凝土強度一般為C15～C20，其在寒冷地區強度較低，難以達到穩定運行的要求，為模擬室外自然條件下渠道降溫及升溫凍融循環變化，在室內模型試驗中提高了混凝土強度，選擇C50，試驗的渠道選擇矩形薄壁結構，其在實際工程中使用壽命較長且穩定、便于安裝，因此選擇矩形渠道作為模型開展試驗，其長度設置為2.5 m。EPS密度及導熱系數均較小，在工程保溫材料中被廣泛應用。試驗采用墊層厚度為20 cm的聚苯乙烯泡沫（Expanded Polystyrene簡稱EPS）輕質土作為保溫材料，對比分析加保溫材料及自然狀態下對渠道凍脹破壞產生的影響。試驗渠道所在的模型試驗箱長度為4 m，寬為3 m，高為1.6 m，為了模擬自然條件下土體內水分單向及雙向凍結，試驗箱第一層至第三層分別為：直徑為2 cm的銅管加熱板、5 cm厚砂墊層、塑料補水管及無紡布，第四層為天然土壤或EPS。模型幾何比尺為1∶4，溫度比尺為1∶1，填土干密度控制為1.56 g/cm3，最大干密度為1.61 g/cm3，最優含水率為13.2%。EPS顆粒堆積密度為0.0291 g/cm3，直徑為3 mm～6 mm。固化劑采用42.5普通硅酸鹽水泥。同時還添加了一些外加劑，如丙乳和引氣劑等。本試驗在矩形渠下設置4種不同的墊層，分別為：不摻EPS顆粒輕質土、摻2%EPS輕質土、摻3%EPS輕質土、摻4%EPS輕質土。溫度及位移傳感器布置方式見圖1～圖2，為模擬自然情況實現模型土體的雙向融化，并模擬凍結土體的下臥層溫度，本文控制試驗箱底板溫度為8℃。為模擬自然情況下北方平均凍融期213 d，根據時間比尺，試驗周期為13.75 d即330 h。室內試驗過程中模型溫控方案見表1，共分為4個溫控階段，從溫度降低到土體開始凍結，此時地溫變化較小，一般為1月和2月，至3中旬后溫度升高至土體完全融化，模擬了土壤完整的凍融循環過程。

圖1 無墊層渠道傳感器布置圖

圖2 EPS墊層渠道傳感器布置圖

表1 室內試驗模型溫控方案

2 結果分析

采用surfer軟件將凍結和融化期溫度傳感器傳回的溫度值繪制成溫度等高線圖，渠底未摻EPS顆粒墊層的渠道溫度場分布見圖3，4%EPS顆粒墊層的渠道溫度場分布見圖4，由于篇幅所限，本文只給出EPS含量為4%的溫度場分布，可以看出：與未添加EPS相比，添加了EPS保溫材料的U型槽，其渠底溫度明顯上升，其最大凍結深度明顯減小，凍脹臨界溫度即0℃溫度線明顯上升，說明EPS材料能顯著起到保溫作用，減小U型槽底部土體的凍結深度，且隨著EPS含量的增加，渠底溫度明顯升高。未添加EPS顆粒時，渠道兩側存在最低溫度集中分布區域，區域面積較大，土地的凍脹變形將對渠道兩側產生嚴重危害，當渠底增加EPS墊層后，其最大凍結深度對應的溫度場存在分層增加的變化變化趨勢，最低溫度分布的趨勢明顯減小，說明EPS不僅能減小渠底土體凍結深度，同時可減小渠道兩側最低溫度的分布面積，減小兩側土體的最大凍脹量，有效的減少渠道遭受的凍害影響。

圖3 未摻EPS顆粒墊層

圖4 4%EPS顆粒墊層

為了更直觀了解渠底添加EPS后，其在單向凍結及雙向融化過程中凍結深度的變化，本文繪制了凍融深度隨時間的變化曲線見圖5，可以看出：與未摻EPS相比，渠底添加EPS墊層后，其凍結深度減小，最大凍結時間增加，隨著EPS含量的增加，其凍結深度不斷減小，4%EPS墊層的渠道在19 h左右土體開始凍結，在280 h左右達到最大凍結深度，其他幾種情況在260 h左右達到最大凍結深度，并在320 h左右凍融曲線相交。未摻 EPS、2%EPS、3%EPS、4%EPS其最大凍結深度分別為：113 cm、91.8 cm、86 cm、71.6 cm，可以看出 EPS含量越高凍深越小，未摻EPS的渠道其凍結速率最快。

圖5 矩形渠道凍融深度變化曲線

圖6給出了土體發生凍結及融化過程溫度傳感器監測的土地變形量曲線，可以看出：土體在40 h后開始發生變形，分析其原因是由于隨著溫度的降低，在土地水分開始凍結初期，土顆粒由于溫度的下降體積出現收縮，水分的凍脹力不足以抵抗土顆粒的收縮力，因此其變形出現了推遲，隨著溫度的降低，土體的凍脹量逐漸增加，而后隨著溫度的升高，凍融沉降量逐漸減小，3條EPS曲線的變化趨勢相同。未摻EPS、2%EPS、3%EPS、4%EPS其最大凍脹量分別為22.7 cm、11.3 cm、8.9 cm、5.6 cm，殘余變形分別為 5.9 cm、4.7 cm、4.2 cm、2.5 cm，含量最高的4%EPS其土體最大凍脹量和殘余變形均最小。

圖6 凍融沉降量變化曲線

3 結論

凍脹是寒區河道的一個復雜作用過程，包括能量和質量的傳遞、冰水相變、凍土凍脹和蠕變等過程。此外，傳統的試驗裝置和試驗條件難以用于寒冷地區凍脹問題的研究。因此，該方向的實驗和理論數據是有限的。本文為解決室外開展試驗困難等問題，在室內通過模型比尺縮放建立了凍融試驗箱，模擬室外U型矩形渠道土體的凍脹變化過程，探究在渠底添加EPS保溫材料后能否減小周圍土體對渠道造成的凍害，得出的主要結論為：EPS材料對渠道起到了保溫作用，與未摻EPS的渠道相比，隨著EPS含量的逐漸增加，周圍土體的最大凍結深度表現出逐漸減小，最大凍結時間逐漸增加，最大凍脹量和殘余變形逐漸減小，且土體周圍溫度不存在大面積低溫土壤區，EPS上層土壤溫度為向上分層變化，減小了低溫土壤的體積，能夠有效的抵抗周圍及地基土體凍脹對渠道造成的損壞。由于試驗條件的限制，將渠底環境溫度設置為常數，而不是實際的正弦變化。因此，需要對這一問題進行進一步的研究。